Datenpunkte in der Batteriezellfertigung setzen

308119 Hamacher Datenanbindung Batteriezel 20240311092355 1
Batteriezellen werden in vielen komplexen Schritten gefertigt. – Bild: Fraunhofer FFB

Der Wandel der Mobilitätsbranche hin zur Elektrifizierung geht nicht ohne Batterien und der Bedarf für entsprechende Produktionskapazitäten steigt. Doch die Herstellung ist komplex, mit zahlreichen Prozessschritten und Wechselwirkungen. Der Produktionsprozess kann in drei Schritte eingeteilt werden: Der Elektrodenfertigung, der Assemblierung und der Zellfinalisierung. In der Elektrodenfertigung werden aus den verschiedenen Rohmaterialien die Anode und die Kathode der Batterie produziert. Diese werden dann in der Assemblierung zu einer fertigen Zelle verbaut, bevor diese in der Finalisierung erstmalig bestromt wird. Die zahlreichen Wechselwirkungen zwischen den Prozessschritten, machen eine umfassende Aufnahme von Produktionsdaten an jeder Anlage notwendig.

IT-seitige Anbindung von Anlagen

Wahrscheinlich aufgrund der Komplexität des Herstellprozesses der Zellen hat sich auf dem europäischen Markt noch kein Generalunternehmer für Fertigungsanlagen der gesamten Prozesskette etabliert. Die Anlagen einer Fabrik dürften also von unterschiedlichen Firmen stammen. Hinzu kommt die viele Messtechnik, die aktuell für die Zellfertigung entwickelt wird. Um die Datenaufnahme über alle Prozessschritte hinweg sicherzustellen, werden Konzepte, Standards und definierte Schnittstellen benötigt. Zuerst fallen die Daten an der Anlage oder einem Messsystem an. Von dort aus fließen sie in einem Scada-System oder einer IIoT-Plattform zusammen. Die aggregierten Daten können dann in den übergeordneten IT-Systemen, beispielsweise dem MES, zur Produktionsplanung und -Optimierung oder für Analysen und Visualisierungen genutzt werden. Genauso findet eine Kommunikation von den IT-Systemen zurück zur Produktion statt.

Ansätze für die Datenintegration

Der erste Schritt im Schema ist die Überführung der Daten aus Anlagen und Messsystemen in eine übergreifende Plattform. Die Heterogenität der Prozesse erschwert diese Anbindung, für die im folgenden verschiedene Ansätze vorgestellt werden. Diese Ansätze wurden an der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB (Fraunhofer FFB) entwickelt. Die Fraunhofer FFB ist eine Forschungseinrichtung, in der industrienah die Produktion von Batteriezellen erforscht wird. Dazu wird zunächst die ‚FFB PreFab‘ mit einer Musterlinie für die komplette Batteriezellproduktion im kleineren Maßstab aufgebaut. Anschließend folgt eine Fabrik im Gigawattmaßstab, in der verschiedene Prozessschritte und gängige Batteriezelltypen erprobt werden.

Kommunizieren über OPC UA

Die OPC Unified Architecture (OPC UA) von der OPC Foundation bietet viele Funktionalitäten für den Einsatz als Schnittstelle zwischen Shopfloor und IT. Zum einen ermöglicht OPC UA eine vom Protokoll unabhängige Kommunikation, die Daten verschiedener Kommunikationsprotokolle, wie TCP/IP oder MQTT zusammenführt. Darüber unterstützt OCP UA sowohl das Client/Server-Modell als auch Pub/Sub-Kommunikation. Somit ist die Architektur für viele Anlagen und Messsysteme, je nach Frequenz der Daten, der bestmögliche Kommunikationsweg. Der größte Vorteil von OPC UA wird aber durch die Nutzung von Informationsmodellen und Companion Specifications deutlich. Diese ermöglichen eine standardisierte Datenübertragung, losgelöst von den Parameterbenennungen der Anlagenhersteller. Das Problem des Übersetzungs- und Transformationsaufwandes bei inkompatiblen Datenbeschreibungen entfällt. Daten aus der Batteriezellfertigung gelangen häufig nur über Konnektoren aus ihren Systemgrenzen hinaus. Mit OPC UA können Daten hingegen einfach und kontextbezogen weiterverarbeitet werden. Wenn etwa in den Meta-Daten des Parameters verankert ist, dass es ein Temperaturwert ist, können identische Datenverarbeitungs-Pipelines auf alle Temperaturwerte angewandt werden. Eine weitere Herausforderung speziell für die Batteriezellfertigung ist es, dass noch keine einheitlichen Standards und Companion Specifications bestehen. Aufgrund der relativen Neuheit der Branche und einer limitierten Anzahl an Experten, gibt es noch keine finalen Listen an relevanten Parametern. Diese Herausforderungen werden in dem Forschungsprojekt Enlarge, an dem die Fraunhofer FFB beteiligt ist, adressiert. Basierend auf Standards wie EPCIS, ISO/IEC19987, OPC UA und bestehenden branchenspezifischen Companion Specifications soll eine Art Meta-Standard existierende Standards künftig verbinden und erweitern, um das Zusammenspiel der Komponenten für die Batteriezellfertigung zu beschreiben.

Edge Computing fängt Schwächen ab

Eine weitere Besonderheit der Datenkommunikation in der Batteriezellfertigung sind die vielen zu verarbeitenden Messwerte. In der Zellfinalisierung, bei der Formierung, werden beispielsweise Spannungsverläufe pro Zelle in einer Granularität von wenigen Millisekunden aufgezeichnet, um das korrekte Laden der Zelle sicherzustellen. Eine hohe Zahl an Batteriezellen produziert Datenvolumen, die OPC UA Server überlasten. Edge Computing Devices können dieses Problem lösen. Diese Rechner werden direkt im Produktionsbereich platziert und über ein eigenes Netzwerk mit der Steuerung der Anlage oder mit der Messtechnik verbunden. Die Performance und Latenz der Verbindung reicht für anfallende Kommunikationsaufgaben aus, und bei Bedarf können performantere Kommunikationsprotokolle genutzt werden, um von den Edge PCs auf die Messdaten zuzugreifen oder Dateiformate zu übertragen, die nicht durch OPC UA unterstützt werden. Messtechnik kann so direkt an den PC angebunden werden. Oder die PCs können durch den Einbau von Grafikkarten für KI-Auswertungen eingesetzt werden. Da die Verbindung über ein eigenes Netzwerk stattfindet, bleibt diese von Netzwerkausfällen und -problemen verschont, Backups liegen lokal ab. Zusammengenommen lässt sich sagen, dass OPC UA in der Batteriezellfertigung wirkungsvoll hilft, heterogene Datenquellen mit einem übergeordneten System zu vernetzen. Die Edge-PCs fangen dabei die Grenzen von OPC UA ab, indem sie besondere Datenformate verarbeiten und ein durchgehendes, leistungsstarkes und resilientes Netzwerk bereitstellen.

Autor:

Nils Christian Hamacher ist wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB.



  • Industrie steigert Investitionen in Klimaschutz

    Industrie steigert Investitionen in Klimaschutz

    Plus 74 Prozent in 10 Jahren Industrie steigert Investitionen in Klimaschutz Etwas mehr als 4Mrd.€ hat die deutsche Industrie im Jahr 2021 im Bereich Klimaschutz investiert. Wie das Statistische Bundesamt…

    mehr lesen: Industrie steigert Investitionen in Klimaschutz

  • Starkes Netzwerk in unsicheren Zeiten

    Starkes Netzwerk in unsicheren Zeiten

    Die SPS in Nürnberg ist der Branchentreff für Automatisierer. Welche Trends dabei in diesem Jahr hervorstechen und was Besucher darüber hinaus erwarten können, berichtet Silke Schulz-Metzner, Vice President SPS beim…

    mehr lesen: Starkes Netzwerk in unsicheren Zeiten

  • Die Welt der Automatisierung auf 120.000m²

    Die Welt der Automatisierung auf 120.000m²

    Zur 32. Ausgabe der SPS – Smart Production Solutions werden in 16 Messehallen mit rund 120.000m² Ausstellungsfläche mehr als 1.300 Aussteller aus der ganzen Welt erwartet. Neben Innovationen bietet der…

    mehr lesen: Die Welt der Automatisierung auf 120.000m²

  • Das gesamte Spektrum der Elektronikfertigung

    Das gesamte Spektrum der Elektronikfertigung

    Die Elektronikfertigungsindustrie trifft sich vom 14. bis zum 17. November in München. Auf der dortigen Produktronica stehen in diesem Jahr unter anderem die Leitthemen künstliche Intelligenz, Leistungselektronik sowie Quantentechnologien im…

    mehr lesen: Das gesamte Spektrum der Elektronikfertigung

  • Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig

    Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig

    Situation weiter entspannt Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig Mehr als die Hälfte der Unternehmen aus dem Automobilbau berichtet nach wie vor von Materialengpässen. In vielen anderen Industriesektoren hat sich…

    mehr lesen: Materialengpässe in der Industrie leicht rückläufig

  • Connected-Worker-Plattform

    Connected-Worker-Plattform

    Connected-Worker-Plattform Sieben Schritte zur autonomen Instandhaltung Gestiegene Preise belasten die deutsche Industrie weiterhin. Und auch beim Thema Fachkräfte ist keine Entspannung in Sicht. Hier kommt die autonome Instandhaltung ins Spiel.…

    mehr lesen: Connected-Worker-Plattform

  • Markus Wambach wird COO bei MHP

    Markus Wambach wird COO bei MHP

    Geschäftsführung erweitert Markus Wambach wird COO bei MHP MHP erweitert zum 1 Januar 2024 die Geschäftsführung. Markus Wambach verantwortet dann das operative Geschäft der Management- und IT-Beratung.

    mehr lesen: Markus Wambach wird COO bei MHP

  • Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

    Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

    Philipp Hahn-Woernle übergibt den Staffelstab Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group Die Viastore-Gruppe steht ab dem 1. Januar 2024 unter neuer Leitung. Thomas Hibinger übernimmt dann das Amt des…

    mehr lesen: Thomas Hibinger wird CEO der Viastore Group

  • Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

    Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

    Ifo-Umfrage Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig Im August waren erneut weniger Industrieunternehmen von Materialengpässen betroffen als noch im Juli. Am stärksten betroffen ist nach wie vor die Autoindustrie.

    mehr lesen: Materialengpässe in der Industrie erneut rückläufig

  • Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

    Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

    Fahrerlose Transportfahrzeuge und mobile Roboter Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik Die Nachfrage nach mehr Automatisierung für intralogistische Abläufe ist hoch. Wann und wie genau sich fahrerlose Transportfahrzeuge oder…

    mehr lesen: Fraunhofer IPA bietet Potenzialanalyse für die Intralogistik

  • Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

    Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

    Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics Durch die Übernahme des kanadischen Robotik-Spezialisten Clearpath Robotics will Rockwell sein Portfolio für die autonome Produktionslogistik ergänzen.

    mehr lesen: Rockwell Automation übernimmt Clearpath Robotics

  • LeanBI und Substring kooperieren

    LeanBI und Substring kooperieren

    IoT-Anwendungen für die Industrie LeanBI und Substring kooperieren Gemeinsam wollen LeanBI und Substring Produkte für das Internet der Dinge entwickeln und anbieten. Dafür haben die Unternehmen eine Entwicklungs- und Vertriebs-Kooperation…

    mehr lesen: LeanBI und Substring kooperieren